Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и обоснование задач исследований 9
1.1. Факельное сжигание топлива 9
1.2. Исследование топочных процессов и методов управления структурой факела 12
1.3. Газовые горелки 16
1.3.1. Назначение газовых горелок и основные предъявляемые к ним требования 16
1.3.2. Вредные выбросы при сжигании газообразных видов топлива 18
1.3.3. Повышение надежности и эффективности сжигания газа в котлах и печах 23
1.3.3.1. Совершенствование методов смесеобразования 24
1.3.3.2. Совершенствование конструкций горелочных амбразур и туннелей 31
1.3.3.3. Повышение надежности работы горелок при сжигании попутных газов переработки нефти 32
1.4. Выводы и постановка задачи исследования 35
2. Газообразное топливо нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий 36
2.1. Компонентный состав 36
2.2. Свойства и характеристики 37
2.2.1. Объемная теплота сгорания 38
2.2.2. Удельные объемы воздуха и газа 41
2.2.3. Энтальпия 43
2.2.4. Вязкость 43
2.3. Влияние состава топлива на теплообменные процессы в тепловых агрегатах 44
2.3.1. Общие положения 44
2.3.2. Влияние состава сжигаемого газа на теплообмен в топке 45
2.3.3. Влияние состава сжигаемого газа на теплообмен в конвективных поверхностях нагрева 56
2.4. Эффективность использования нефтепромысловых и попутных газов в котельных агрегатах и трубчатых печах 58
2.4.1. Влияние состава сжигаемого газа на потери тепла от наружного охлаждения 59
2.4.2. Влияние состава сжигаемого газа на потери тепла с уходящими газами 59
2.4.3. Влияние состава сжигаемого газа на потери тепла от химической неполноты сгорания 62
2.5. Повышение эффективности сжигания газов переменного состава посредством изменения их температуры 67
2.6. Выводы 72
3. Методы оценки влияния переменного состава сжигаемого газа на процессы воспламенения топлива и теплообмена в топке котельного агрегата 73
3.1. Воспламенение и горение углеводородных газов переменного состава 73
3.1.1. Подобие полей температуры и концентрации горючего компонента 73
3.1.2. Воспламенение углеводородных газов переменного состава 78
3.2. Метод оценки теплообмена в топке котельного агрегата 82
3.2.1. Вывод обобщенного уравнения комбинированного теплообмена при горении в топке котельного агрегата 82
3.2.2. Анализ и адаптация полученного решения; исследование достоверности результатов 94
3.3. Выводы 107
4. Промышленная адаптация результатов работы 109
4.1. Описание производственно-экспериментальной установки 110
4.2. Экологические характеристики факела при сжигании нефтезаводского газа 114
4.3. Эффективность использования нефтезаводских газов 117
4.4 Практические рекомендации по организации регулирования
процесса сжигания углеводородных газов переменного состава 120
4.5 Выводы 124
Заключение 126
Библиографический список 128
Приложение 144
- Исследование топочных процессов и методов управления структурой факела
- Повышение надежности работы горелок при сжигании попутных газов переработки нефти
- Влияние состава сжигаемого газа на потери тепла от химической неполноты сгорания
- Вывод обобщенного уравнения комбинированного теплообмена при горении в топке котельного агрегата
Введение к работе
Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики. В настоящее время ТЭК определяющим образом влияет на состояние и перспективы развития национальной экономики, обеспечивая около 1/4 производства валового внутреннего продукта, 1/3 объема промышленного производства и доходов консолидированного бюджета России, примерно половину доходов федерального бюджета, экспорта и валютных поступлений.
На период до 2020 года в России разработана Энергетическая стратегия, среди приоритетных задач которой можно выделить снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов и минимизацию техногенного воздействия энергетики на окружающую среду. На современном этапе экономика России характеризуется высокой энергоёмкостью, в 2-3 раза превышающей удельную энергоёмкость экономики развитых стран. Одной из причин такого положения является нарастающая технологическая отсталость энергоёмких отраслей промышленности и жилищно-коммунального хозяйства. Степень повышения энергетической эффективности предопределит долгосрочные перспективы развития не только энергетического сектора, но и экономики Российской Федерации в целом.
Существующий потенциал энергосбережения составляет 360...430 млн. тонн условного топлива, или около 40...45 % текущего потребления энергии. Из них: 33% сосредоточены в ТЭК, в том числе треть в электроэнергетике и теплоснабжении, 32% - в промышленности, 26% - в жилищно-коммунальном хозяйстве [9...11,24, 91, 130].
Нефтеперерабатывающая промышленность является наиболее энергоемкой среди прочих отраслей ТЭК [92]. При простейших процессах нефтепереработки расход ТЭР на собственные нужды в виде топлива, тепла, электроэнергии соответствует 5...6 % от переработанной нефти; усложнение технологии вызывает повышение энергозатрат до 10 % и более. Главным показателем оптимальности технологических схем переработки нефти является энергоемкость, составляющая в среднем по НПЗ России 40...45 % себестоимости товарной продукции. Поэтому разработка мероприятий по снижению расхода топлива на технологические и энергетические нужды нефтеперерабатывающих предприятий весьма актуальна.
Основной особенностью отечественной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности является высокий уровень потребления топлива в сравнении с промышленно-развитыми странами, который связан как с использованием морально и физически устаревших печей, так и с уровнем применяемой технологии нефтепереработки.
Трубчатые печи являются основным оборудованием технологических установок нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, на их сооружение затрачивается около 25% капитальных вложений. Они являются крупными потребителями топлива.
Для современных НПЗ характерно стремление к выработке тепловой и, реже, электрической энергии в собственных котельных или ТЭЦ. Поэтому помимо печей, все более значительными потребителями топлива становятся котельные агрегаты.
При сжигании топлива особая роль отводится организации горения, так называемым факельным и пламенным процессам. Рациональная для данного вида конструкций и технологий организация факела во многом определяет проблемы экономии топлива, производительности, стойкости элементов топочного и печного пространства, эмиссии вредных веществ.
Использование в качестве топлива попутных газов нефтепереработки, состав и теплотехнические свойства которых меняются во времени, приносит значительные неудобства для организации экономичного и безопасного его сжигания с минимальным выходом токсичных продуктов сгорания.
Работа огнетехнических установок на переменных режимах или различных видах топлива заставляет особенно внимательно относиться к
7 обеспечению соответствия характеристик факела требованиям технологических процессов. В этих условиях наиболее выгодное решение - выбор горелочных устройств с регулируемыми параметрами, как по воздушному, так и по газовому тракту. Используя такие горелки, можно обеспечить наивыгоднейший тепловой режим независимо от нагрузки или рода топлива. Это значительно повышает экономичность и надежность энергетических установок.
Печи нефтеперерабатывающих предприятий комплектуются большим количеством горелок. Изготовление горелочных устройств с регулируемыми параметрами ведет к их удорожанию.
Целью работы является изучение возможности регулирования топочных процессов и повышения эффективности использования углеводородных газов переменного состава посредством изменения их температуры при сжигании в горелках с нерегулируемыми газовыдающими узлами.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые: установлены зависимости энтальпии, теплоты сгорания, вязкости, удельных объемов газа, теоретически необходимого для горения воздуха, продуктов сгорания и других основных топливных характеристик от плотности углеводородных газов; разработан метод оценки воспламенения углеводородных газов сложного состава по плотности газовой смеси; разработан метод оценки теплообмена в топке котельного агрегата, позволяющий свести все факторы, влияющие на распределение температуры в камере сгорания к одному параметру.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют корректировать топочные процессы посредством изменения температуры сжигаемого газа с целью повышения эффективности использования топлива, достижения требуемых характеристик факела и снижения экологического ущерба от выбросов вредных веществ с продуктами сгорания. Отдельные результаты работы уже реализованы в ОАО
8 «Орскнефтеоргсинтез» и используются при эксплуатации промышленных паровых котлов.
Автор защищает: - разработанные приемы регулирования топочных процессов и практические рекомендации по организации регулирования процесса сжигания углеводородных газов переменного состава; метод оценки воспламенения углеводородных газов сложного состава по плотности газовой смеси; метод оценки теплообмена в топке котельного агрегата по одному параметру.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались или были представлены на: Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых по энерго- и ресурсосбережению, нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии (6-9 декабря 2005 года, г. Екатеринбург); XXVI Российской школе по проблемам науки и технологий (27-29 июня 2006 года, г. Миасс); 7-й Всероссийской научно-технической конференции по актуальным проблемам состояния и развития нефтегазового комплекса России (29-30 января 2007 года, г. Москва); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по проблемам теплоэнергетики (17-19 апреля 2007 года, г. Челябинск); XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий (26-28 июня 2007 года, г. Миасс); Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых по энерго- и ресурсосбережению, нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии (11-14 ноября 2008 года, г. Екатеринбург); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по проблемам теплоэнергетики (21-23 апреля 2009 года, г. Челябинск).
Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в одном источнике, рекомендованном ВАК.
Исследование топочных процессов и методов управления структурой факела
С середины 20 века актуальной становится задача повышения экономичности и улучшения экологических показателей парогенераторов, а с конца 20 века и трубчатых печей нефтеперерабатывающих предприятий. Нефтеперерабатывающая промышленность до 80-х годов 20 века предавала второстепенное значение факельным процессам и традиционно отставала от котлостроения [27, 28, 31, 40, 41, 43, 44, 47, 48, 50...56, 58, 61...66, 69, 70, 73, 86, 94, 107]. Объективной причиной относительно низких показателей трубчатых печей в сравнении с котлами, является необходимость создания таких условий, при которых не происходит коксование нагреваемой нефти и нефтепродуктов и не образуются отложения, имеющие большое термическое сопротивление.
Общего решения обозначенных проблем в виде некоторой унифицированной конструкции топочного устройства парогенераторов и трубчатых печей найдено не было, что связано с большим расхождением теплофизических свойств топлива и различными требованиями технологических процессов нефтепереработки [27, 28, 31, 40, 41, 43, 44, 47, 48, 50...56, 58, 61...66, 69, 70, 73, 86, 94, 107]. Улучшение работы топочного и вспомогательного оборудования искали в направлении совершенствования термогазодинамических характеристик факела: рационализации его температурных, скоростных и концентрационных полей.
Исследованием и проектированием факельных топочных устройств котлов занимались в ЦКТИ [21, 37, 88, 90, 97], ВТИ и его филиалах [30, 39, 74, 84, 87, 96, 124], МЭИ [25, 26, 33, 71, 118, 120], ЭНИН [14, 15], КазНИИЭнергетики [114, 120, 123] ПО «Красный котельщик» [83, 102, 103], трубчатых печей — ВНИИнефтемаш [93], ВНИИНП и его филиалах [105], ВНИПИнефть [94], ЛИСИ [27, 28, 40, 41, 43, 44, 47, 48, 50...56, 58, 61...63, 65, 66, 69, 73, 94], ПО «Киришинефтеоргсинтез» [27, 28, 54, 69, 70]. Серьезное внимание исследованию и улучшению факельных характеристик уделялось специалистами за рубежом.
Основные задачи в области рациональной организации топочных процессов можно сформулировать как предельно экономичное сжигание топлива с обеспечением: 1) регулируемого распределения поля тепловых потоков в объеме топки; 2) независящего от нагрузки топливосжигающего устройства и теплофизических свойств сжигаемого газа: 2.1) снижения тепловосприятия наиболее нагруженных элементов поверхностей нагрева ниже предельно допустимых значений; 2.2) максимального снижения коррозии поверхностей нагрева; 2.3) устранения или снижения содержания токсичных и канцерогенных веществ в дымовых газах ниже предельно допустимых значений. Удовлетворить всем поставленным выше требованиям - сложная задача. Дать ответ на поставленные выше вопросы должно научное направление — регулирование топочных процессов. Началом этого направления можно считать область теплоэнергетики, занятую исследованием и разработкой газовых методов регулирования температуры перегретого пара. Основные работы в области исследований, разработки и широкого использования газовых методов регулирования температуры перегретого пара выполнены за рубежом. Одними из причин такого положения являются большая неравномерность потребления тепловой и электрической энергии в этих странах и повышенные требования в связи с этим к маневренности котельных агрегатов [5]. Помимо регулирования температуры перегретого пара, активное вмешательство в течение топочных процессов позволяет за счет регулируемого распределения поля тепловых потоков и поля концентраций газовой среды устранять локальные тепловые перегрузки экранных поверхностей нагрева, резко снижать загрязнения и коррозию поверхностей нагрева, а также устранять или уменьшать выброс токсичных и канцерогенных веществ в атмосферу. При сжигании газов переменного состава или работе топливосжигающих устройств на переменных нагрузках о каких-то постоянных условиях, обеспечивающих требуемую организацию топочных процессов, говорить вообще невозможно. Дело в том, что каждой нагрузке и каждому виду топлива соответствует своя схема организации топочных процессов. Очевидно, что достижение поставленных задач возможно при поддержании такого режима, при котором каждой нагрузке или роду сжигаемого топлива соответствует своя схема организации топочных процессов. Исследованием вопросов теории и технологии поточных топочных процессов занимались многие ученые. Н. Е. Скаредов и В. Е. Грум-Гржимайло [20] являются основоположниками теории факела и печей. Применительно к топочным процессам и энергетическим установкам теория факела развивалась в работах А. М. Гурвича, Г. Ф. Кнорре, И. И. Палеева, Л. А. Вулиса, А. С. Иссерлина, Ю. В. Иванова, А. Г. Блоха, В. М. Седелкина, О. Н. Брюханова, В. А. Христича, Б. С. Сороки и др. [7, 8, 12, 16, 21, 22, 33, 36, 67, 104, 108]. Топочными процессами применительно к трубчатым печам и промышленным котлам занимались В. Д. Катин [3, 27...29, 40...66, 68...70, 86], Б. М. Кривоногое [3, 27, 28, 68, 73], С.Н. Шорин [128], В. М. Седелкин и другие. Общие вопросы теории горения и струй развивались в работах Я. Б. Зельдовича, Б. В. Раушенбаха, Е. С. Щетинкова, Б. В. Канторовича, Г. А. Абрамовича, Д. Н. Ляховского, Ю. В. Иванова, Л. Н. Хитрина и других [85, 121, 122]. Из зарубежных ученых следует отметить работы А. Шака, Ф. А. Вильямса, Д. Б. Сполдинга, М. В. Тринга, С. С. Пеннера, С. П. Бурке и Т. Е. Шумана, Х.К. Хоттеля и других [13, 109...111, 131, 132]. Изучением влияния температуры газа на длину диффузионного факела занимались С. Н. Шорин и О. Н. Ермолаев [125]. Первым рассмотрел принципиальные основы и методы регулирования топочных процессов, а также описал средства их осуществления Р. Б. Ахмедов [5]. Проанализировав физико-химические явления, характеризующие течение топочных процессов, а также принципы управления ими, Р.Б. Ахмедов все методы регулирования топочных процессов разделил на [5]: 1) Аэродинамические — методы, основанные на изменении аэроструктуры факела, перемене его положения в топочном объеме или любом другом способе активного воздействия на аэродинамику топочных газов. 2) Диффузионные — методы, основанные на изменении поля концентраций реагирующих веществ в объеме факела за счет регулируемого распределения топлива в объеме воздушного потока. 3) Распределительные - методы, основанные на перераспределении тепловой нагрузки по высоте топки, элементам газоходов или между отдельными корпусами дубль-блоков. 4) Байпасные — методы, основанные на рециркуляции части топочных газов из газохода в топку или перепуске части воздуха, необходимого для горения, помимо горелок, в нижнюю или верхнюю часть топки. 5) Карбюрационные - методы, основанные на подаче или выделении веществ, способных изменить радиационные свойства факела.
Повышение надежности работы горелок при сжигании попутных газов переработки нефти
Компонентный состав попутных газов нефтедобычи зависит от месторождения нефти. Компонентный состав газообразного топлива, используемого на нефтеперерабатывающих заводах, зависит от номенклатуры выпускаемой продукции, технологических процессов переработки нефти и её состава.
На компонентный состав газа у конкретного газоиспользующего оборудования влияет схема газоснабжения предприятия. При смешении газов различных процессов переработки нефти компонентный состав смеси усредняется. При раздельном газоснабжении потребителей, технологические установки используют собственный газ, а также газ из заводской сети. Излишки собственного газа сбрасываются в ту же заводскую сеть. Состав газа при раздельном снабжении у конкретных газоиспользующих агрегатов значительно отличается и зависит от применяемой на установке технологии.
Газы прямой перегонки нефти состоят из предельных углеводородов от метана до пентана. Такие газы имеют сравнительно высокие плотность — до 2,9 кг/м , и низшую объёмную теплоту сгорания - до 135 МДж/м .
Попутные нефтепромысловые газы состоят также из предельных углеводородов, но дополнительно содержат азот и двуокись углерода. Плотность попутных газов составляет 0,8...1,5 кг/м , низшая объёмная теплота сгорания 20...60 МДж/м3.
Газы, образующиеся в процессах парофазного крекинга нефти, термического риформинга, каталитического крекинга, пиролиза газового бензина, пиролиза тяжелых нефтяных остатков, жидкофазного крекинга, каталитического риформинга, в дополнение к предельным углеводородам содержат непредельные (этилен, пропилен, бутилен) и водород. Такие газы имеют средние плотность - 1...1,5 кг/м , и низшую объёмную теплоту сгорания - 60...80МДж/м3.
Недостаток собственного топливного газа, как правило, покрывается природным газом, имеющим сравнительно низкие плотность - 0,73...1 кг/м3, и низшую объёмную теплоту сгорания — 23...37 МДж/м . Как указывалось выше, нефтезаводские газы состоят в основном из водорода, предельных и непредельных углеводородов. Предельные СпН2п+2 и непредельные СпН2п углеводороды представляют собой ряды родственных соединений с однотипной структурой, в которых каждый последующий член отличается от предыдущего на постоянную группу атомов -СН2-. Такая последовательность соединений называется гомологическим рядом, отдельные члены этого ряда - гомологами, а группа атомов, на которую различаются соседние гомологи, — гомологической разностью.
Гомологи отличаются молекулярной массой, и, следовательно, физическими характеристиками. С увеличением числа углеродных атомов в молекулах указанных углеводородов наблюдается закономерное изменение физических свойств гомологов — переход количества в качество: повышаются температуры кипения и плавления, увеличиваются плотность, вязкость и теплоемкость. Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические связи, гомологи обладают сходными химическими свойствами.
Поэтому, зная химические и физические свойства одного из членов гомологического ряда, можно предсказать химическое и физическое поведение и других членов этого ряда.
Структурный характер связей между атомами углерода и водорода в молекулах предельных углеводородов представляется в следующем виде: родоначальник ряда - метан - имеет четыре связи типа С-Н. Каждый последующий член ряда прибавляет к ним метиленовую группу СНг, дающую дополнительно три связи — одну связь типа С-С и две связи типа С-Н, и 14 атомных единиц веса. Поэтому объемная теплота сгорания и плотность имеют линейную зависимость от углеродного числа п. Из чего также следует линейная зависимость объемной теплотворной способности от плотности (см. рис. 2.1, ряд данных 1).
Объемная теплота сгорания и плотность непредельных углеводородов этиленового ряда изменяются линейно в зависимости от углеродного числа аналогично свойствам предельных углеводородов. Причем углы наклона прямых, характеризующих свойства и предельных, и непредельных углеводородов, равны. Это объясняется тем, что в обоих случаях изменение свойств связано с добавлением метиленовой группы. Различие заключается в родоначальниках рядов — их начальных связях и молекулярных весах. Зависимость низшей объемной теплотворной способности от плотности для непредельных углеводородов этиленового ряда представлена на рисунке 2.1, ряд данных 2.
Реальные газовые смеси попутных газов НПЗ и месторождений нефти и газа обычно содержат до 25% водорода Н2, азот N2 и углекислый газ С02 [82]. Содержание балластных газов в болыпенстве случаев незначительно, но встечаются месторождения с содержанием азота до 57 %. На рисунке 2.1 показана зависимость низшей объемной теплотворной способности от плотности для смесей 75 % СпН2п+2 и 25 % Нг - ряд данных 3, 75 % СпН2п и 25 % Нг — ряд данных 4 а также для реальных газовых смесей НПЗ, газовых и нефтяных месторождений России по данным [82]. Низшая теплота сгорания сильно забалластированных смесей значительно меньше в сравнении со смесями малобалластированными (см. рис. 2.1, ряд данных 5).
Из рисунка 2.1 видно, что теплота сгорания смеси метановых, этиленовых углеводородов и водорода слабо зависит от соотношения компонентов и определяется её плотностью. Расчетные данные по теплотворной способности Qff, кДж/м , перечисленных выше смесей газов в диапазоне плотностей при нормальных физических условиях 0,56...3,2 кг/м с точностью до 3 % можно выразить зависимостью от р
Влияние состава сжигаемого газа на потери тепла от химической неполноты сгорания
Как упоминалось выше, кроме излучения трехатомных газов сжигание попутных газов характеризуется излучением частиц сажистого углерода, степень черноты которых зависит от их размера и колеблется в очень широких пределах. С уменьшением размеров частиц сажи, степень их черноты уменьшается. Это объясняется тем, что эти частицы оказываются меньше длин волн, на долю которых падает наибольшая часть энергии излучения.
Излучение факела, содержащего частицы сажистого углерода, как и излучение газов, имеет селективный характер. Согласно закону смещения Вина, при уменьшении температуры излучающего тела максимум энергии излучения перемещается в сторону более длинных волн, в связи с чем степень черноты частиц сажи уменьшается.
Парциальное давление двуокиси углерода СОг и водяных паров Н20 связано с компонентным составом сжигаемого газа, количество и размер сажистых частиц определяются преимущественно факторами организации процесса сжигания газа - количеством первичного воздуха и интенсивностью перемешивания топливно-воздушной смеси. В [35] приведены зависимости излучательной способности СОг и Н20 от парциального давления, температуры и толщины излучающего слоя
Для тепловых агрегатов, работающих под атмосферным давлением, парциальное давление компонентов числено равно их объемной доле. Обработав данные расчетов объемных долей компонентов в продуктах полного сгорания смесей предельных углеводородов с водородом при коэффициенте избытка воздуха а-\ в функции плотности, получим с точностью до 1% следующие зависимости Следует отметить, что выражения (2.16) и (2.17) не учитывают частичное совпадение спектров излучения СОг и НгО. Учесть этот фактор можно с помощью поправки As, которая также является функцией параметров рсо , рн0, /, Т [35]. Для современных топочных камер можно принять As = 0,045...0,055. Расчет степени черноты продуктов полного сгорания для реальных топочных процессов должен также учитывать коэффициент избытка воздуха ат. В случаях применения увлажнения воздуха, например, для подавления эмиссии оксидов азота, также необходимо учитывать парциальное давление водяных паров в воздухе р Высокий температурный уровень топочной среды и поверхностей обусловливает преобладание радиационного теплообмена. В этой связи при проведении теплового расчета предъявляются повышенные требования к учету радиационной составляющей в суммарном теплообмене. Вопросам оценки и расчета теплоотдачи в топках, печах и камерах сгорания всегда уделялось и уделяется большое внимание. Практически все исследования по теплообменным характеристикам факелов и общей теплоотдаче указывают на значительное влияние режимных параметров и конструктивных характеристик горелок на теплопередачу, но существующие методы расчета теплоотдачи от факела делают возможным определение только интегральной величины теплопередачи. Для выяснения влияния только состава топлива на теплоотдачу в топке без рассмотрения процессов, происходящих в горелках, достаточно инженерных методов расчета [93, 115]. Инженерные расчеты теплообмена в топках котлов до настоящего времени в основном проводятся по нормативному методу теплового расчета котлов [115]. Этот метод включает в себя методику Центрального котлотурбинного института (ЦКТИ), основанного на применении теории подобия к топочным процессам, и методику Всесоюзного теплотехнического и Энергетического институтов (ВТИ—ЭНИН), базирующуюся на совместном решении уравнений теплообмена Стефана—Больцмана и теплового баланса топочной камеры. Обе методики разработаны на основе обширного экспериментального материала и дают удовлетворительные результаты по суммарному теплообмену применительно к освоенным в теплоэнергетике конструкциям топок. В основе методики ЦКТИ лежит зависимость, связывающая безразмерную температуру газов на выходе из топки вТ с числами Больцмана Во и Бугера Ви. Замыкающим является параметр М. Число Больцмана определяет отношение энтальпии потока продуктов сгорания к потоку излучения и тем самым характеризует влияние на теплообмен состава, температуры, расхода продуктов сгорания и адиабатной температуры горения. Критерий поглощательной способности Ви определяет поглощательную способность продуктов сгорания и тем самым характеризует влияние на теплообмен состава продуктов сгорания. Параметр М определяется в зависимости от относительного уровня расположения горелок по высоте топки хг, степени забаллостированности топочных газов. В основе метода ВТИ—ЭНИН лежит система четырех уравнений, описывающих процесс теплообмена в топочной камере: уравнение радиационного теплообмена топочной среды с поверхностями нагрева, уравнение теплового баланса топочной камеры, уравнение теплопередачи между внешним слоем загрязнений поверхности нагрева и теплоносителем, эмпирическое уравнение для определения эффективной температуры топочной среды. Такой подход позволяет в явном виде учесть влияние на теплообмен в топке ряда факторов: температуры теплоносителя, радиационных свойств топочного объема и ограничивающих поверхностей, толщины и теплофизических свойств загрязняющего слоя золовых отложений, а также увеличить экстраполяционные возможности результатов и уменьшить число используемых эмпирических коэффициентов. Методы ЦКТИ и ВТИ—ЭНИН нашли широкое применение в инженерных расчетах и достаточно широко освещены в специальной литературе. Расчет суммарной теплопередачи в топках нефтеперерабатывающих печей производится по методу ВНИИнефтемаш - МИНХиГП [93].
Вывод обобщенного уравнения комбинированного теплообмена при горении в топке котельного агрегата
Потеря тепла от химической неполноты сгорания возникает при появлении в продуктах сгорания горючих газов - двуокиси углерода, водорода и углеводородов, что связано с неполным сгоранием топлива в пределах топочной камеры. Догорание топлива за пределами топочной камеры невозможно из-за относительно низкой температуры дымовых газов.
Причинами химической неполноты сгорания топлива могут являться плохое смесеобразование, недостаток воздуха, малый размер топочной камеры, низкая температура в топочной камере.
При сжигании газа с переменными теплотехническими свойствами среди причин появления химической неполноты сгорания можно выделить первую — плохое смесеобразование. Горение газового топлива сможет развиваться при выполнении двух условий: 1. Наличие тесного соприкосновения молекул газа с молекулами кислорода воздуха. 2. Наличие у молекул газа и кислорода энергии для преодоления «химического барьера» и возможности осуществления акта химического соединения. Наличие тесного соприкосновения молекул газа с молекулами кислорода воздуха может быть обеспечено только в том случае, когда газ и необходимое количество воздуха хорошо перемешаны. Наиболее радикальным способом получения предварительно перемешанной, весьма однородной газовоздушной смеси у вихревых газомазутных горелок является многоструйная радиальная выдача газа под углом 45...90 в поперечный закрученный поток воздуха. По такому принципу сконструированы горелки ГМГ-М и ГМГБ, кольцевые Ленгипроинжпроекта, применяемые на котлах ДКВ и ДКВР, горелки ГМ-10 и ГМП на котлах ДЕ-16-14ГМ и ДЕ-25-14ГМ, горелки ВТИ на котлах ПТВМ-50 и многие другие. Характерной особенностью сжигания газа с переменной плотностью и теплотой сгорания является необходимость смешения газа с воздухом в различных соотношениях. Применительно к попутным газам переработки и добычи нефти при холодном воздухе это соотношение изменяется в диапазоне от 1 : 9 до 1 : 30. Сжигание хорошо перемешанной смеси таких газов с воздухом затруднений не представляет. Этапом, определяющим интенсивность горения, является период смешения газа и воздуха. Процесс взаимного проникновения молекул газа и воздуха протекает за счет турбулентной и молекулярной диффузии. Рассмотрение основных закономерностей протекания процессов диффузии и установление путей их интенсификации или торможения позволяет целенаправленно влиять на условия смешения газа с воздухом. Эти условия будут определять особенности формирования факела, его аэродинамику и радиационные свойства. В зависимости от способа подготовки газовоздушной смеси различают следующие виды факелов: 1. Диффузионный факел - с внешним, то есть после горелки, смешением газа и воздуха. 2. Кинетический факел - с полным внутренним, то есть в горелке, смешением газа и воздуха. 3. Смешанный факел - с частичным внутренним смешением газа и воздуха. Горелки типа ГМП относятся к горелкам с частичным внутренним смешением газа и воздуха, т. е. со смешанным типом факела. Доля первичного воздуха составляет 70% от подаваемого на горение, вторичного — 30%. Решающее значение для обеспечения хорошего смешения газа с воздухом имеет турбулентная диффузия. Явления, возникающие при истечении газовых струй в сносящий поток, довольно сложны и далеко еще не все изучены. Установлено, что перед газовой струей в поперечном сносящем потоке и в лобовой части самой струи имеется зона повышенного статического давления, а в кормовой части струи и за струей — зона разрежения. Разница давлений перед и за струей является физической причиной искривления ее траектории. Форма поперечного сечения струи на выходе из отверстий газового коллектора первоначально круглая, но по мере удаления от соплового отверстия под действием сносящего потока воздуха деформируется и принимает форму подковы. Это объясняется тем, что периферийные слои струи, имеющие малую скорость и интенсивно сдуваемые воздухом, обладают большей кривизной траектории, чем основная масса струи. При истечении турбулентной струи газа в поперечный сносящий поток воздуха первая постепенно разворачивается и на расстоянии h по нормали к направлению сносящего потока становится спутной ему. Наилучшее протекание турбулентной диффузии происходит при выполнении следующих условий: 1. Газовые струи должны быть распределены как можно равномернее в объеме воздушного потока. 2. Глубина проникновения газовой струи должна обеспечивать попадание газа в зону максимальных скоростей и не должна отличаться от оптимального значения более чем на 15...20 %. При таких отклонениях струя газа все равно будет находиться в зоне максимальных скоростей. Методика расчета горелок с принудительной подачей воздуха в основном базируется на полуэмпирических методах, так как отсутствуют надежные теоретические решения сложных процессов, происходящих при сжигании газа с воздухом в топочных камерах.
Проанализировав формулу (2.13) можно сделать вывод о том, что для определенной конструкции горелки коэффициенты Ks, d, X остаются постоянными вне зависимости от свойств сжигаемого газа, а наилучшее смешение газа с воздухом с точки зрения турбулентной диффузии будет при постоянном значении отношения
Оценить изменение потерь тепла от химической неполноты сгорания аналитически не представляется возможным. В главе 5 настоящей работы на рисунке 5.8 показано изменение потерь тепла от химической неполноты сгорания. При плотности сжигаемого газа р =2,8...3,0 кг/м потери тепла от химической неполноты сгорания достигают 1,5 %.
